逸らされたスリップストリーム

偏向スリップストリームは、垂直に離着陸できる ( VTOL )、​​または少なくとも非常に短い滑走路で ( STOL )航空機を作成するためのアプローチです。基本原理は、1 つまたは複数のプロペラからのスリップストリームを約 90 度偏向させて、垂直離陸のための上向きの推力と着陸のための下向きのエアクッションを作成することです。空中に浮上すると、フラップが引き込まれ、航空機は水平に飛行できます。

垂直飛行へのこのアプローチの始まりは、第一次世界大戦中およびその後に開発された翼フラップでした。これらのフラップは飛行機に揚力を加えるために設計されました。^[1]

第二次世界大戦後、米国航空諮問委員会(NACA) が垂直飛行へのかなり多くのアプローチに関する研究を後援していた時期に、偏向スリップストリーム アプローチは、模型、風洞試験、実物大の航空機の製作を通じて研究されました。これは、1950 年代に NACA が後援した数多くの S/VTOL 技術の 1 つであり、マイク ヒルシュバーグが「Wheel of Misfortune」チャートにまとめています。^[2]

1956 年、ロバート・カービーは、垂直離陸に必要な大きな角度でプロペラの後流を下方に逸らすための大翼弦フラップを備えた翼の有効性を調査しました。

テストはバージニア州の NACA ラングレーで、自由飛行風洞施設に設置された模型で実施されました。模型の翼幅は、プロペラ後流の理論的な直径、つまりプロペラ直径の 70% (24 インチ [61 cm]) とほぼ等しかったです。ロバート カービーは、偏向後流に関する研究を NACA 技術ノート [TN] 3800 にまとめています。^[3]

「調査の結果、プロペラの後流を 90° 回転させると、翼とプロペラの組み合わせの合力ベクトルがプロペラ シャフトに対して垂直になり、プロペラ推力の 80% になることがわかりました。モデルが地面に近い場合、後流は約 75° しか回転しませんでしたが、合力は推力の約 88% に増加しました。胴体を翼システムに追加すると、合力は約 10% 減少しました。」彼は結論で、「各翼のほぼ半円形の端板 (フラップをたわませた翼の上面と前縁と後縁の間の接続によって定義される) は、高い旋回角度と効率を得るために不可欠でした。端板を大きくしても、翼システムの旋回効率は向上しませんでした。」と付け加えました。

偏向スリップストリームVTOL機構に関するその他の風洞研究は、1955年と1956年にNACAラングレー研究センターのリチャード・クーンとジョン・ドレイパーによって実施されました。彼らはNACA向けにこのテーマに関する技術ノートを多数出版しました。技術ノート3360 ^[4]で、クーンとドレイパーは彼らの目標について論じました。

ラングレー航空研究所では、単葉機の翼とフラップがプロペラの後流を下方に逸らす効果について調査が行われています。この調査の一部は参考文献 1 と 2 に報告されています。参考文献 1 の結果によると、プレーン フラップと補助ベーンを装備した単葉機の翼は、垂直離陸に必要な角度に近い大きな角度で後流を逸らすことができます。

クーン氏とドレイパー氏は研究から次のような結論を出しました。

さまざまな翼弦の平板を使用したテストに基づくと、翼弦対プロペラ直径の比率が 1.00 のときに最良の旋回角度が得られました。これは調査した中で最大の比率です。ただし、翼弦対プロペラ直径の比率を 0.75 から 1.00 に増やすと、旋回効率はわずかに向上しただけで、潜水モーメントは大幅に増加しました。

この「ダイビングモーメント」への言及は、ホバリング中に地面に近づくにつれてモデルが前方に傾くことを意味し、偏向スリップストリーム原理を使用した実物大のプロトタイプの構築が直面している課題の 1 つを示しています。

1950 年代後半から 1960 年代前半にかけて、垂直離陸または短距離離陸を実現する手段として偏向スリップストリームを利用した 3 種類の航空機が製造されました。

Ryan VZ-3 は、完全な VTOL 機能を備えた偏向スリップストリーム航空機です。VZ-3RY プロジェクトは、Ryan Aeronautical Company が米国陸軍から V/STOL 機能を備えた航空機の開発と製造の契約を受けた 1957 年に開始されました。

この飛行機は翼幅が短く、大翼弦のダブルスロットフラップを備え、825馬力 (615 kW) のシャフトタービンで駆動されていました。エンジンは、反対方向に回転する 2 つの木製プロペラを駆動していました。各プロペラの直径は 9 フィート 2 インチ (2.79 m) でした。

この航空機の試験結果は、カリフォルニア州モフェットフィールドのエイムズ研究センターのNASA TN D-89 ^[5]で1959年11月に初めて発表されました。上の図12では、飛行機はフラップの後縁が17フィートの高度（地面効果外）に取り付けられています。TN D-89の著者の言葉を引用すると、

「風洞実験の主な目的は、機体が定常 VTOL 操作を実現できるかどうか、どのような条件下では空力または構造上の限界により操作が不可能または安全でなくなるかを判断すること、そして航空機の操縦者による動作シミュレーションに必要な情報を得ることでした。テストの大部分は、水平非加速飛行をシミュレートする条件と力、つまり飛行機の重量 (2,625 ポンド) とほぼ等しい揚力と水平推力成分とほぼ等しい抗力に向けられました。」

研究者たちは、フラップが完全に使用されていない場合でも、ホバリングモードの航空機が 16 フィート (4.9 メートル) 以下から地面に近づくと、急降下モーメントが発生することを発見しました。フラップが展開されると、急降下モーメントはさらに深刻になります。

「ホバリング中に地面に近づくと、主に縦方向のコントロールの調整能力を超えるピッチダウンモーメントが発生します。このモーメントは、前縁スラットを追加することで制御できるようになりました。」

しかし、このスラットを追加したことで、前進飛行を試みたときにピッチの不安定さも生じました。

1963年にNASA TN-D-1891と命名された技術ノート^[6]で、著者のハワード・L・ターナーとフレッド・J・ドリンクウォーター3世は次のように結論付けています。

「ライアン VZ-3RY 試験機は、80 ノットから 6 ノット未満の速度範囲で飛行試験されました。偏向スリップストリーム コンセプトは、VTOL 操作よりも STOL 操作に適していることが証明されました。悪影響のある地面の影響により、20 ノット未満の速度および高度約 15 フィート未満では地面に近い操作ができませんでした。約 40 ノットで急勾配の滑走路 (最大 -16°) で着陸できましたが、急勾配で低速の降下飛行は実現不可能でした。全幅の前縁スラットにより、降下能力が大幅に向上し、最低水平飛行速度が低下しました。」

真に垂直に降下できないことと、機体が地面に近づくにつれて「地面効果」と呼ばれる問題が解決されないことから、この機体は VTOL 機として検討対象から外れると考えられていました。しかし、機体が地面に近づき、「地面効果」の影響を受けるようになるときの挙動を調査したところ、次のことがわかりました。

「地面効果のメカニズムは、偏向したスリップストリームがプロペラディスクを通じて乱気流として再循環し、部分的にプロペラ効率の低下、したがってスリップストリーム速度の低下と旋回効率の低下を引き起こすものと思われます。スリップストリーム速度の低下により揚力が低下し、航空機は急速に地面に沈みます。動力を加えても降下を止めることはできませんでした。この揚力低下に伴い、プロペラから大きな叩き音が聞こえます。航空機は地面効果に入ったときに急激にピッチングする傾向を示しませんでした。しかし、横風の状況では、非対称の揚力低下が発生し、地面に接触する直前に航空機が急激に横滑りしたり、急激に傾いたりしました。」

VZ-3RY は、上の写真でわかるように、非常に短い距離で離陸する強力な STOL 機能を発揮しました。しかし、真の垂直飛行 (VTOL) には多くの障害があり、これらの障害を克服できるかどうかを調べるための研究は継続されませんでした。この航空機に関する最終的な結論は、次のとおりです。

「ライアン VZ-3RY V/STOL 偏向スリップストリーム試験機による飛行試験では、このコンセプトは、非常に短い離着陸特性が求められる STOL 航空機として、いくつかの優れた利点があることがわかりました。プロペラ スリップストリームの再循環によってもたらされる悪影響の地面効果により、非常に低速での運用が著しく制限されました。」

1920年代から航空機を製造していたフェアチャイルド・エアクラフト社は、1950年代後半にアメリカ陸軍と契約し、偏向スリップストリーム原理で垂直飛行を試みた別の航空機であるフェアチャイルドVZ-5を製造した。マービン・P・フィンクが執筆したNASA技術覚書、TM SX-805 ^[7]には、ラングレー風洞でのこの偏向スリップストリーム航空機のテスト結果が記載されている。

調査の概要によると、VZ-5 のテスト結果は好ましくなかったという。

調査の結果、飛行機は速度範囲全体で不安定で、低速では 0.64 弦で実際の重心を中心にトリムできないことが判明しました。飛行機の基本構成に対して妥当な程度の縦方向の安定性と、フラップ偏向範囲でのトリムの最低限の能力を提供するには、飛行機にバラストをかけて重心を実際の位置よりはるかに前方に移動させる必要があります。重心を必要な量移動するには、コックピット領域に約 700 ポンドの重量を追加する必要があります。飛行機は、重量とほぼ等しい約 4,000 ポンドのホバリング揚力を発生できます。飛行機の有効上反角は非常に大きく、特定の方向の不安定性と相まって、非常に望ましくない飛行特性が生じることが予想されます。

VZ-5 は地上と風洞でのみテストされたため、テスト飛行でそれらの「望ましくない飛行特性」がどのように現れるかは正確にはわかりませんでした。

偏向したスリップストリームを利用して飛行機にVTOL機能を持たせる3番目の試みは、1956年と1957年にロバートソン航空機社によって行われた。この試みはテザー飛行には至らなかった。^[8]

偏向スリップストリーム技術を利用した航空機が VTOL 機として量産されたことはありませんが、この技術は短距離離着陸 ( STOL ) 航空機を実現するために使用されています。有名な例としては、量産モードで限定的に使用された Breguet 941があります。

上記の 3 つの航空機は、NASA が垂直離陸および短距離離陸 ( V/STOL ) 離着陸に偏向スリップストリーム方式を採用する取り組みを表しています。ライアン VZ-3RY のみが離陸しましたが、純粋な垂直操作ではうまく機能しなかったため、1950 年代から 1960 年代の NACA と NASA の研究期間中に偏向スリップストリームに基づく真の VTOL 航空機は開発されませんでした。

ある研究者は、独自のリソースでVTOL機へのこのアプローチを研究し続け、垂直飛行能力を備えた偏向スリップストリーム機の探求に50年以上を費やしました。その年月の間に、彼は根本的に異なる翼の形状（彼はアークウィングと呼んでいます）を提案し、大学の風洞実験による独自のテストを行い、彼のアプローチの実現可能性を判断しました。^[9]

この研究者、ウィリアム・バーテルセン博士は 2009 年に亡くなりました。彼の息子ウィリアム・D・バーテルセンは、偏向スリップストリーム法による垂直飛行の実験を続けており、研究の一環として小型模型、凧、パラセイル、超軽量飛行機を製作しています。現在 (2017 年) まで、ここに示す設計の実物大模型は製作されていません。

• 吹き飛んだフラップ
• カスター チャネル ウィング

• 国際V/STOL歴史協会
• カフェ財団
• NASA 国立技術レポート サーバー
• 米国航空100周年記念
• 偏向スリップストリーム VTOL 航空機の歴史 (PDF)、ウィリアム D. バーテルセン著、アメリカヘリコプター協会第 61 回年次フォーラム、テキサス州グレイプバイン、2005 年 6 月 1 日から 3 日までの講演
• エアロモバイル株式会社